Разработка экологически безопасных технологий утилизации стеклобоя и отходов металлургических производств

Производственная деятельность человека связана с использованием разнообразных природных ресурсов, которое сопровождается изменением их состояния и объемов. Известно, что больп1ая часть сырьевых ресурсов утрачивается в виде побочных продуктов и отходов.

Экстенсивное развитие промышленности привело к нарушению веками сложившихся природных связей и накоплению не свойственных для суш-ествующих экосистем отходов, в том числе и токсичных. Результатом такого воздействия стало заметное изменение климата, сокращение пахотных земель и запасов питьевой воды, возрастающее число техногенных катастроф, аллергических и других болезней. Все это заставило человечество направить свои усилия на минимизацию воздействия на землю, атмосферу, водные и природные ресурсы. Необходимо, выбирать наилучший вариант из множества путей решения хозяйственных и ресурсных вопросов, оптимального функционирования создаваемых природно-технических систем, экономичного расходования природных ресурсов, минимизирования потерь сырья и предотвращения загрязнения окружающей среды. За последние десятилетия разработаны и экологически усовершенствованы многие технологические процессы, в том числе и касающиеся переработки отходов.

Вместе с тем, в области переработки отходов и охраны окружающей среды есть ряд острых проблем, индивидуальных для каждого региона и требующих незамедлительного решения.

Одной из таких проблем для Нижегородского региона является переработка крупнотоннажных отходов металлургических производств (шлаки и формовочные пески) и боя стекла.

Шлаки и формовочные пески являются экологически опасными токсичными отходами четвертого класса опасности и, не смотря на это, в больших количествах хранятся под открытым небом. Хранение на не подготовленных площадях не препятствует выщелачиванию тяжелых металлов, загрязняющих почвы и воды, а так же приводит к запыленности воздушного бассейна аэрозолями.

Наличие в шлаках и формовочных песках тяжелых металлов с высокой биологической и миграционной активностью привело к тому, что с их «помощью», за последние пять лет, большинство показателей здоровья жителей имеют не благоприятную динамику. Показатель онкологических заболеваний выше среднего по России на 28,3%. За 12 лет показатель распространенности врожденных аномалий вырос в 3,7 раза [4].

Бой стекла засоряет городскую территорию, затрудняет переработку других отходов, захороненных совместно, и приводит к увеличению территорий, занимаемых полигонами. Происходящее отторжение земель ведет к загрязнению вод, распространению грызунов, и переносимых ими заболеваний, насекомых и т. д.

В регионе отсутствуют технологии и производства, способные перерабатывать большое количество боя стекла и отходов металлургических производств в полезные продукты. При наличии таких технологий одновременно решаиись бы вопросы охраны здоровья, окружающей среды и ресурсосбережения.

К сожалению, действующие экономические механизмы лишь в небольшой степени способствуют природоохранной деятельности. Поэтому поиск, разработка и внедрение рентабельных технологий переработки крупнотоннажных отходов является актуальной и практически полезной задачей.

Целью данной диссертационной работы является анализ влияния крупнотоннажных отходов металлургических производств и боя стекла на окружающую среду и здоровье человека, разработка и внедрение экологически безопасных технологий утилизации этих отходов в материалы и изделия строительного назначения.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

— проведен анализ влияния шлаков, отработанных формовочных песков и отходов стекла на жизнедеятельность человека и экологическую ситуацию на территории складирования;

— проведен анализ мирового опыта по организации переработки стеклянного боя, шлаков и отработанных формовочных песков;

— проведен анализ и обоснование выбора экологически безопасных способов утилизации шлаков, формовочных песков и боя стекла в полезные продукты, способствующих сбережению энергоносителей и природных ресурсов;

— намечены задачи и пути проведения экспериментальных исследований по поиску поверхностно-активных добавок, позволяющие в процессе охлаждения расплава стекла получать замкнутые газовые пузырьки;

— проведены исследования по разработке и оптимизации составов рабочих стеклянных и керамических масс, условий подготовки и режимов их термической обработки;

— проведены многосторонние испытания полученных материалов и на этой основе уточнены технологические параметры процессов.

Чтобы обеспечить экологическую безопасность, рентабельность переработки отходов и высокое качество конечной продукции необходимо выполнить следующие условия:

— автоматизировать наиболее вредные ручные операции;

— заменить экологически опасные вещества и компоненты на менее вредные;

— внедрить энергосберегающие технологические решения;

— утилизируемые отходы должны иметь стабильный химический состав в течение длительного времени;

— доля используемых отходов в конечном продукте должна быть большой (более 50%), иначе утилизация может затянуться на многие годы;

— конечный продукт переработки должен быть конкурентоспособен на рынке аналогичной продукции.

Анализ возможных продуктов, получаемых при переработки стеклобоя, показал, что наиболее привлекательным является производство пеностекла — теплоизоляционного материала с широким комплексом высоких потребительских свойств.

Коэффициент использования стеклобоя в этом материале более 95%). Пеностекло имеет низкие среднюю плотность и теплопроводность, не горит, не гниет, химически инертно и прочно, обладает высокими санитарно-гигиеническими свойствами и легко обрабатывается. Оно может выпускаться в виде плит, гранул и изделий различной конфигурации, имеет достаточно большой и устойчивый спрос в регионе (см. Приложение 1).

Нижегородский и другие регионы тратят огромные средства на отопление жилого и производственного фондов. По данным Администрации Нижегородского региона расходы на эти цели из года в год растут и в настоящее время составляют до 30% бюджета. В этой связи остро встает вопрос о качественной теплоизоляции вновь строящихся и находящихся в эксплуатации жилых и промышленных зданий. В 1996 году Минстрой России своим постановлением внес изменения в СНиП 11−3-79 «Строительная теплотехника». Оно направлено на повышение теплозащитных свойств зданий и выпуск прогрессивных теплозащитных материалов. Новый нормативный показатель теплосопротивления стен и ограждающих конструкций, заложенный в СНиПе, по мнению экономистов, позволит экономить десятки миллионов тонн условного топлива в год. При этом возрастает потребность в эффективной теплоизоляции только для строительных нужд примерно на 12 — 15 млн. мЛ/год. По измененному СНиП толщина кирпичных стен должна быть не меньше 1 м, что требует мощных фундаментов и повышенных расходов на строительство. Вместе с тем использование легких и эффективных теплоизоляторов в сочетании с кирпичной кладкой позволяет существенно упростить и удешевить строительство и экономить энергоресурсы.

В бывшем СССР было 4 завода по производству пеностекла, которые с началом перестройки из-за стремительного роста цен на энергоносители и жаропрочные стали были остановлены, а затем ликвидированы. Это связано с тем, что во всем мире пеностекло выпускают с использованием углеродных газообразователей (сажа, кокс. антрацит, торфяной кокс и т. п.), для которых вспенивание расплава стекла возможно только при температуре более 800 °C [10]. В мировой практике производства пеностекла стеклобой вообще не используется, так как считается, что для обеспечения высокого качества пеностекла (средняя плотность менее 250 кг/мЛ, водопоглощение не более 4%, прочность при сжатии не менее 1,0 МПа) необходимо применение специально синтезированных алюмосиликатных стекол [10,11].

Таким образом, высокие температуры вспенивания и необходимость использования большого количества жаропрочных сталей делает подобные производства в настоящее время в странах СНГ малорентабельными. А вредные для здоровья операции по раскрытию в горячем виде форм и опиловке блоков, содержащих Н28 и выделяющих в воздух стеклянную пыль, ставят такие производства в разряд экологически опасных.

Выход из положения может дать карбонатная технология производства пеностекла, использование которой позволяет существенно снизить энергопотребление (температуры вспенивания ниже на 80 — 100°С), заменить дорогие жаропрочные стали на низколегированные, значительно увеличить срок службы печей и оснастки, предотвратить процесс кристаллизации стекла и т. д. Применение карбонатных газообразователей дает возможность заменить сероводород на безвредный углекислый газ.

Начиная с тридцатых годов XX века многочисленные попытки ученых многих стран получить пеностекло, имеющее замкнутые поры и характеризующееся малыми значениями коэффициента теплопроводности и водопоглощения, с помощью карбонатных газообразователей не увенчались успехом. В конечном итоге в мире укоренилась точка зрения, согласно которой получить теплоизоляционное пеностекло с помощью карбонатов невозможно.

В этой связи, в представляемой работе в плане утилизации стеклобоя нами были поставлены следующие задачи:

— проанализировать литературу и выявить причины, не позволяющие получить качественное пеностекло с использованием карбонатной технологии;

— на этой основе наметить направление исследований, конечной целью которых является разработка экологически безопасной карбонатной технологии получения качественного пеностекла из стеклобоя.

Анализ литературы и проведенные исследования позволили:

— дать теоретическое и экспериментальное обоснование выбора поверхностно-активных добавок, снижающих поверхностное натяжение и вязкость расплавленного стекла до значений, обеспечивающих получение замкнутых пор в пеностекле, полученном по карбонатной технологии;

— оптимизировать составы шихты и режимы тепловой обработки [12−16];

— разработать конструкцию разборных металлических форм, обеспечиваюш-их устранение трудоемких, опасных и экологически вредных операций [17] по раскрытию форм и освобождению пеностекла при температурах 550 — 650 °C, по механической опиловке пеноблоков для придания заданных геометрических размеров изделий. Кроме того, разработанная конструкция форм позволяет экономить энергоресурсы на стадии отжига изделий за счет тепла накопленного металлом форм в печи вспенивания;

— провести апробацию разработанной карбонатной технологии получения пеностекла в производственных условиях завода «Орбита», выдать задание на проектирование производства пеноблоков и начать возведение технологической линии.

Встает вопрос о выборе утилизируемых шлаков и конечных продуктов их утилизации. Выше указывалось, что для обеспечения рентабельного производства перерабатываемые отходы должны иметь стабильный химический состав, высокие расходные коэффициенты и превраш-аться в продукты, пользуюш-иеся спросом.

Проведенный анализ показал, что наиболее стабильными по своему химическому и минералогическому составу во времени (сравнивались полученные автором химико-аналитические данные по основным составляюш[им шлаков и данные отчетов по работам, проводимых на Горьковском автомобильном заводе в восьмидесятых годах) являются гранулированные ваграночные шлаки ОАО «ГАЗ». Автомобильное производство является консервативным в отношении номенклатуры выпускаемых изделий и потребления основных материалов. Это специфика серийного производства, где ассортимент используемых чугунов не меняется в течение десятилетий. Гранулометрический состав ваграночных шлаков также должен быть достаточно стабилен, поскольку шлак подвергается принудительной грануляции.

Использование шлаков в качестве заполнителей в бетонах или в производстве цементов в рамках данной диссертационной работы неактуально по нескольким причинам:

— в Нижегородском регионе отсутствуют цементные производства, а возить шлаки до ближайших заводов на расстояние более чем в 250 км (например, нос. Чамзинка, Мордовская республика) нерентабельно;

— строить цементное производство на основе ваграночных шлаков ОАО «ГАЗ» также нецелесообразно, так как для этого требуется значительно большее количество нарабатываемых шлаков;

— использование шлаков и отработанных формовочных песков в качестве заполнителей бетонов в гражданском и дорожном строительстве сталкивается с жесткими санитарно-гигиеническими требованиями и в какой-то мере с дискредитацией шлакобетонных изделий, широко использовавшихся в гражданском и промышленном строительстве в пятидесятых годах (шлакоблоки).

Как показала практика, шлаки склонны к самораспаду и при повышенной влажности шлакоблоки со временем подвергаются заметному разрушению. Выше сказанное, вызывает негативное отношение людей к изделиям из шлаков и вызывает серьезные трудности при продвижении таких бетонных изделий на рынок.

В этой связи нами предложено использование шлаков и отработанных песков при выпуске керамических изделий (облицовочной и половой плиток, различного рода фильтров, капселей, насадок для ректификационных и абсорбционных колонн и т. п.). В пользу этого выбора свидетельствует следуюпдее:

— в процессе производства материалы проходят огневую обработку при температуре более 1000 °C и все компоненты керамической массы связываются в жесткий структурный каркас кристаллической решетки, обеспечиваюш-ий высокое химическое сопротивление, низкую миграционную способность компонентов, высокую прочность, необходимые декоративные и санитарно-гигиенические требования;

— шлаки и пески являются местным, дешевым и возобновляемым сырьем, представляющим экологическую опасность в своем первозданном виде.

В Н. Новгороде имеются частично или полностью простаивающие керамические производства (завод «Керамик», керамическое производство завода «Орбита»), которые находятся на расстоянии не далее 8 — 10 км от «производителей» шлаков и формовочных песков и при малых капитальных вложениях могли бы освоить производство керамики на их основе.

С целью решения вопроса эффективного использования шлака и отработанного формовочного песка в керамическом производстве были поставлены следующие задачи:

— разработка составов и режимов предварительной подготовки и обжига керамических масс на основе ваграночных шлаков и отработанных формовочных песков для производства керамической фасадной и половой плиток, обеспечивающих требования, предъявляемые к данному виду продукции;

— апробация разработанных составов и режимов в производственных условиях завода «Орбита» и выдача рекомендаций по их промышленному использованию и модернизации существуюш-его на этом заводе оборудования.

— обозначение перспективной номенклатуры изделий и получение опытных образцов, произведенных по керамической технологии из ваграночных шлаков и отработанных формовочных песков.

Научная новизна представленной работы состоит в следующем:

— впервые в мировой практике разработана экологически безопасная, ресурсосберегающая технология получения теплоизоляционного пеностекла с замкнутыми порами с помощью безвредных карбонатных газообразователей;

— токсичный и обладающий неприятным запахом сероводород, заполняющий поры пеностекла полученного по углеродной технологии, замещается безвредным углекислым газом;

— экологическая безопасность разработанной автором технологии подтверждена экологической экспертизой, проведенной Комитетом охраны окружающей среды и природных ресурсов г. Н. Новгорода № 28 от 15.08.01 г. (приложение 7) и санитарно-эпидемиологическим заключением, выданным ЦГСЭН г. Н. Новгорода № 52.98.13.000.Т.16.07.01 от 27.07.2001 г. (приложение 8);

— теоретически обоснован принцип выбора поверхностно-активных добавок, позволивших по низкотемпературной технологии из боя стекла впервые получить высококачественное теплоизоляционное пеностекло в блоках;

— новизна разработанных автором составов и конструкции форм подтверждены патентом № 2 149 146 (приложение 5) и свидетельством на полезную модель № 15 574 (приложение 6);

— исследованы закономерности изменения прочностных характеристик, водопоглощения и объемной плотности пеностекла в зависимости от условий и тонкости помола шихты, от скорости ее нагрева и режимов температурной обработки при вспенивании и отжиге;

— исследованы закономерности изменения технических характеристик керамических изделий в зависимости от состава шихты, режимов ее подготовки и обжига;

— установлены закономерности образования каверн при формировании пеностеклянного блока в процессе вспенивания, разработаны мероприятия, устраняющие это явление.

Практическая ценность:

— на базе проведенных исследований спроектирована и строится технологическая линия по переработке отходов стекла в блочное пеностекло;

Проверка разработанных технологий на оборудовании завода «Керамик» не представляется возможным из-за полной остановки производства и роспуска персонала.

— разработаны технологии переработки отходов, позволяющие исключить миграцию тяжелых металлов в окружающую среду и получить керамические изделия строительного назначения из невостребованных отходов черной металлургии;

— в рамках среднего по масштабам производства пеностекла (~ 20 CCD мЛгод) экономия от использования стеклобоя составляет: по пескам — 2,8 тыс. тонн, по глинозему — 600 тонн, по соде — 1 тыс. тонн;

— замена специально сваренных алюмосиликатных стекол стеклобоем, только на стадии подготовки сырья, позволяет экономить до 12 МДж/кг стеклянной массы;

— переработка шлаков и отработанных формовочных песков в производстве плитки позволяет экономить от 50 до 70% высококачественных глин;

— найденные технические решения по конструкции форм, обеспечивают возможность их автоматического раскрытия при высоких температурах и делают ненужной операцию механической обработки блоков. Это новшество позволяет обеспечить более комфортные и безопасные условия труда;

— возможность утилизации больших объемов стеклобоя и организация его сбора у населения замедлит темпы засоренности городской территории этим видом отходов и облегчит сортировку ТБО и переработку его в компосты;

— применение пеностекла позволит потеснить доминирующие на рынке пылящие, выделяющие токсичные вещества и пожароопасные теплоизоляционные материалы, изготовленные на основе вспененных органических масс и минеральных ват;

— использование отделочно-теплоизоляционного материала пенодекора создадут комфортные условия жизни и психологически благоприятную среду обитания человека;

— разработанные технологии переработки боя стекла и отходов металлургических производств апробированы в промышленных условиях и выданы рекомендации по их практическому использованию.

Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях секций: межрегиональной выставки «Большая Волга» (Всероссийский выставочный центр «Нижегородская ярмарка», май 1998 г.) — научно — технической конференции «Строительный комплекс — 98» (г. Н. Новгород, ННГАСУ, июль 1998 г.) — межрегиональной выставки «Ресурсосберегающие технологии и ресурсосбережение» (Межвузовский выставочный центр НГТУ, декабрь 1998 г.) — постоянно действующего семинара на базе Нижегородского центра жилищного и строительного развития (г. Н. Новгород, май 1999 г.) — научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленности и транспорта» (г, Н. Новгород, сентябрь 1999 г.) — выставки «Золотые инновации России» (г. Москва, ВДНХ, декабрь 2000 г.) — научно — технической конференции «Архитектура и строительство — 2000» (г. Н. Новгород, ННГАСУ, январь 2000 г.).

По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 патента.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 107 наименований и 8 приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, включает 35 рисунков и 16 таблиц.

3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

3.1. Впервые в мировой практике разработана экологически безопасная, ресурсосберегающая технология получения высококачественного блочного пеностекла из боя стекла, новизна которой подтверждена патентом и свидетельством на полезную модель, а экологическая безопасностьнезависимой экспертизой и санитарно-эпидемиологическим заключением.

3.2. На основе проведенных исследований и промышленных апробаций ООО «Экран» было разработано техническое задание на проектирование производства пеностекла из стеклобоя, первая очередь которого пущена в эксплуатацию на заводе АО «Орбита» (г. Н. Новгород) в 2000 году, а пуск всей технологической линии ООО «Экран» планирует провести в конце 2-го квартала 2002 года.

3.3. Использование в качестве сырья бытового и промышленного стеклобоя позволяет на каждом 1 мЛ произведенного пеностекла плотностью 200 кг/мЛ экономить 140 кг высококачественных песков, 3 кг глинозема и 50 кг соды, а замена специапьно сваренных стекол на стадии шихтоподготовкидо 12 МДж/кг стеклянной массы.

3.4. Найденные технические решения по конструкции форм обеспечивают возможность их автоматического раскрытия при высоких температурах и делают ненужными операцию механической обработки блоков пеностекла и подогрева печей отжига.

3.5. Применение качественного пеностекла, полученного по низкотемпературной технологии, позволит потеснить доминирующие на рынке выделяющие токсичные вещества и пожароопасные материалы типа вспененных органических масс и пылящие минеральные ваты.

3.6. Предложенная технология экономит энергоресурсы, продлевает сроки службы основного оборудования и оснастки, позволяет полностью замкнуть производство и возвращать брак и улавливаемую стеклянную пыль т.к. низкие температуры вспенивания предотвращают кристаллизацию стекла.

3.7. Экспериментально обоснованы и оптимизированы составы рабочих масс и режимы технологического процесса переработки ваграночных шлаков и отработанных формовочных песков.